专利名称：一种电阻应变式厚度测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种电阻应变式厚度测量装置及其测量方法，适用于材料力学试验中的非圆截面试样的静态厚度测量和动态厚度测量，以及机械加工等其它领域中物体的厚度测量，属力学试验及几何量测量技术领域。
背景技术：
在科学研究和工程技术中，厚度是物体最基本的特征量之一。厚度可以分为静态 (稳态)厚度和动态厚度，即不随时间变化的厚度和随时间变化的厚度。厚度测量通常是指静态厚度测量，例如在材料力学试验技术领域中，对于矩形横截面试样以及圆管纵向弧形试样的常规拉伸力学性能试验，按照有关试验标准的规定，需要在试样加载之前和破坏后分别测量试样的厚度，这类厚度测量属于静态厚度测量。对于一些材料力学性质的研究性实验，则不仅需要测量静态厚度，而且需要测量动态厚度，即要求能够在试样加载变形的过程中，实时测量(连续跟踪)试样的厚度。因此需要有合适的动态厚度测量技术，相应的测量仪器可以称为厚度引伸仪。然而直到目前为止，在力学测试技术中尚缺乏动态厚度测量方法，也未见到关于厚度引伸仪的报道。现有材料力学性能试验技术所使用的横向引伸仪可以测量试样在加载过程中的横向变形，即横向尺寸的改变量，但不能实时测量试样的厚度。而现有的各种厚度测量技术，包括接触式和非接触式测量技术，一般只合适于测量静态厚度。从测量技术的分辨能力方面来看，普通材料力学性能试验一般要求厚度测量的分辨率在1微米以上；变形测量一般要求变形测量仪具有1微米的分辨率，这也是现有横向引伸仪能够达到的水平。对于要求测量精度在1微米至0.1微米乃至0. 1微米以下的测试分析，如厚度小于0. 5毫米的材料试验，一些新型材料研究、开发过程中的材料力学性能测试，厚度测量仪以及变形测量仪的分辨率必须达到0. 5微米至0. 1微米，乃至0. 1微米以下。同样，在精密机械、航空航天等工业领域，也十分需要有分辨率小于0. 1微米的厚度测量技术。目前已经有一些分辨率在0. 2微米以下的厚度测量技术，多数为光学测量技术。光学测量技术具有非接触的优点，但测量系统一般都比较复杂，而且容易受到振动等环境应因素的干扰，因此在应用上有很大的局限性。相比之下，机械接触式厚度测量方法的抗干扰性能一般要优于光学非接触式厚度测量方法。从厚度测量技术的总体发展趋势来看，不但需要提高测量分辨率和稳定性，而且需要实现仪器系统的简易化、小型化、自动化、数字化、 智能化，因此就需要有能够满足这样一些综合性要求的测量方法。
发明内容
本发明的目的是为材料力学性能试验以及精密机械加工等领域提供一种兼具静态和动态厚度测量功能、分辨率小于0. 1微米、构造简单且适合于数字化应用的电阻应变式厚度测量装置及其测量方法。本发明的电阻应变式厚度测量装置，包括双悬臂梁电阻应变式厚度测量传感器和电阻应变测量仪，双悬臂梁电阻应变式厚度测量传感器由U形弹性体、两个带定位轴销或螺纹杆的圆锥顶测量触头和四枚单轴电阻应变计I^、I 2、I 3、R4构成；U形弹性体的形状对称， 其几何结构包括基座和与基座两端固联的两支悬臂梁C1和C2 ；悬臂梁C1和C2的几何结构均分为头部ac和颈部ce两段；头部ac段的长度大于颈部ce段的长度，头部ac段的横截面面积也大于颈部ce段的横截面面积；悬臂梁C1和C2在靠近自由端a处各加工有一个圆柱孔或螺纹孔，两个悬臂梁C1和C2上的圆柱孔或螺纹孔处于同轴位置；两个圆锥顶测量触头按两个圆锥顶互对的方向利用定位轴销或螺纹杆分别与悬臂梁C1和C2上的圆柱孔或螺纹孔配合，固定在U形弹性体上；两个圆锥顶测量触头的间隔区域用于放置厚度标准器或被测试样，两个圆锥顶的间距小于厚度标准器或被测试样的最小厚度；电阻应变计R1和& 对称粘贴在悬臂梁C1的颈部ce的两侧，电阻应变计民和R4对称粘贴在悬臂梁C2的颈部 ce的两侧，电阻应变计礼、R2, R3和R4的轴线平行于悬臂梁C1和C2的轴线；电阻应变计R1 和&用于感受悬臂梁C1的弯曲线应变，电阻应变计R3和R4用于感受悬臂梁C2的弯曲线应变，四枚电阻应变计礼、&、R3、R4以全桥形式接入电阻应变测量仪。本发明的电阻应变式厚度测量装置的测量方法，包括标定和测量，操作步骤如下(1)用厚度标准器标定厚度测量系统将厚度标准器的各标准厚度规块依次放入双悬臂梁电阻应变式传感器的两圆锥顶测量触头之间，并使标准厚度规块的两工作面与圆锥顶测量触头的轴线垂直；记下电阻应变测量仪的各次读数ε ρ然后利用最小二乘法求出电阻应变测量仪读数ε ^与厚度值δ的函数关系式，即拟合方程ε r = A δ +B(a)式(a)中的常数A和B，分别按公式(a_l)和(a_2)计算
权利要求
1.一种电阻应变式厚度测量装置，其特征是包括双悬臂梁电阻应变式厚度测量传感器 (1)和电阻应变测量仪O)，双悬臂梁电阻应变式厚度测量传感器(1)由U形弹性体、两个带定位轴销或螺纹杆的圆锥顶测量触头(5)和四枚单轴电阻应变计礼、R2> R3、R4构成；U 形弹性体(4)的形状对称，其几何结构包括基座(ef)和与基座(ef)两端固联的两支悬臂梁C1和C2 ；悬臂梁C1和C2的几何结构均分为头部ac和颈部ce两段；头部ac段的长度大于颈部ce段的长度，头部ac段的横截面面积也大于颈部ce段的横截面面积；悬臂梁C1和 C2在靠近自由端a处各加工有一个圆柱孔或螺纹孔，两个悬臂梁C1和C2上的圆柱孔或螺纹孔处于同轴位置；两个圆锥顶测量触头( 按两个圆锥顶互对的方向利用定位轴销或螺纹杆分别与悬臂梁C1和C2上的圆柱孔或螺纹孔配合，固定在U形弹性体(4)上；两个圆锥顶测量触头( 的间隔区域用于放置厚度标准器C3)或被测试样(6)，两个圆锥顶的间距小于厚度标准器( 或被测试样(6)的最小厚度；电阻应变计R1和&对称粘贴在悬臂梁C1的颈部ce的两侧，电阻应变计民和R4对称粘贴在悬臂梁C2的颈部ce的两侧，电阻应变计队、 R2^R3和R4的轴线平行于悬臂梁C1和C2的轴线；电阻应变计R1和&用于感受悬臂梁C1的弯曲线应变，电阻应变计R3和R4用于感受悬臂梁C2的弯曲线应变，四枚电阻应变计礼、&、 R3、R4以全桥形式接入电阻应变测量仪(2)。
2.权利要求1所述电阻应变式厚度测量装置的测量方法，包括标定和测量，操作步骤如下(1)用厚度标准器标定厚度测量系统将厚度标准器的各标准厚度规块依次放入双悬臂梁电阻应变式传感器(1)的两圆锥顶测量触头(5)之间，并使标准厚度规块的两工作面与圆锥顶测量触头(5)的轴线垂直；记下电阻应变测量仪O)的各次读数％，然后利用最小二乘法求出电阻应变测量仪(2)读数、与厚度值δ的函数关系式，即拟合方程
全文摘要
本发明公开的电阻应变式厚度测量装置，包括由U形弹性体、两个带定位轴销或螺纹杆的圆锥顶测量触头和四枚单轴电阻应变计R1、R2、R3、R4构成的双悬臂梁电阻应变式厚度测量传感器和电阻应变测量仪。利用厚度标准器对厚度测量装置进行标定，用经过标定的厚度测量装置测量试样的静态厚度和动态厚度。该厚度测量装置构造简单，分辨率小于0.1微米，可在材料力学性能试验以及机械加工等领域中测量几何形体的厚度；在材料力学性能试验领域，能够以厚度引伸方式实时测量试样加荷变形过程中的厚度。
文档编号G01B7/06GK102506688SQ20111032545
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月24日 优先权日2011年10月24日
发明者胡惠君, 雷华, 鲁阳 申请人:浙江大学